JP2006257996A - 粒子状物質酸化速度算出装置、粒子状物質堆積量算出装置及び内燃機関排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関運転領域に関わらず排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量の高精度な算出を可能とする。
【解決手段】 ＰＭ酸化速度Ｖｃを算出するために、触媒反応の活性に影響する触媒床温と共に吸入空気量ＧＡをパラメータとして作成したマップＭＡＰｃを用いている（Ｓ１０４）。吸入空気量ＧＡは、排気浄化用フィルタに対して供給される時間当たりの酸素量に密接に関連しており、排気浄化用フィルタに堆積しているＰＭの酸化速度に影響する。このため酸化速度を決定する因子の1つとして吸入空気量ＧＡを用いることで、高精度にＰＭ酸化速度Ｖｃを算出することができる。したがって、このようにして求められたＰＭ酸化速度Ｖｃを用いて、ＰＭ堆積量ＰＭｓｍの推定計算（Ｓ１０８）を実行することで、内燃機関運転領域に関わらず高精度なＰＭ堆積量ＰＭｓｍを求めることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられて排気中の粒子状物質を濾過すると共に堆積した粒子状物質を触媒機能により酸化することで再生可能な排気浄化用フィルタにおける粒子状物質の酸化速度算出装置、粒子状物質の堆積量算出装置、及び内燃機関排気浄化装置に関する。

内燃機関、特にディーゼルエンジンは、排気中に含まれる粒子状物質が大気中に放出されないように、排気系に排気浄化用フィルタを配置したものが存在する。このような内燃機関では、排気浄化用フィルタに堆積した粒子状物質を除去して再生する必要があるので、或程度、粒子状物質が堆積すると排気浄化用フィルタを高温化して粒子状物質を燃焼浄化する技術が存在する。

このような排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量の算出は、燃焼室から排気により排気浄化用フィルタに流入する粒子状物質と排気浄化用フィルタにて酸化により浄化される粒子状物質との収支計算に基づいて算出されている（例えば特許文献１，２参照）。
特開２００４−７６６８４号公報（第１１頁、図５，６） 特開２００３−３０７１１０号公報（第９−１０頁、図３）

しかし車両に搭載された排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量を高精度に捉えていないと燃費が悪化することがある。
例えば排気浄化用フィルタ再生時に、粒子状物質の酸化による浄化を過小評価した場合には、既に排気浄化用フィルタ内の粒子状物質は十分に浄化されているにも関わらず、未だ十分に浄化されていない状況が発生する。この場合には必要以上に排気浄化用フィルタの高温化処理を継続することになり、高温化処理のためのエネルギー、具体的には燃料を浪費するおそれがある。

逆に、粒子状物質の酸化による浄化を過大評価した場合には、未だ排気浄化用フィルタ内の粒子状物質は十分に浄化されていないにも関わらず、既に十分に浄化されたとして排気浄化用フィルタの高温化処理を停止してしまう。このことにより、排気浄化用フィルタに過剰の粒子状物質が堆積する頻度が高まり、内燃機関の背圧が高まって機関出力が低下するおそれがある。

前記特許文献１の技術では、酸化による浄化状態を高精度に判断するために、触媒床温によって粒子状物質の酸化速度が変化することを考慮した粒子状物質堆積量計算を実行している。しかし、触媒床温のみでは内燃機関の運転領域によってはずれが生じやすく、十分高精度に粒子状物質堆積量を推定できていなかった。

前記特許文献２の技術では、機関回転数と燃料噴射量とから酸化定数を算出して粒子状物質堆積量の計算を実行している。しかし機関回転数と燃料噴射量とから得られた酸化定数では内燃機関の運転領域によってはずれが生じやすく、十分高精度に粒子状物質堆積量を算出できていなかった。

本発明は、内燃機関運転領域に関わらず排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量の高精度な算出を可能とする粒子状物質酸化速度算出装置、粒子状物質堆積量算出装置及び内燃機関排気浄化装置の提供を目的とするものである。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の粒子状物質酸化速度算出装置は、内燃機関の排気系に設けられて排気中の粒子状物質を濾過すると共に堆積した粒子状物質を触媒機能により酸化することで再生可能な排気浄化用フィルタにおける粒子状物質の酸化速度算出装置であって、内燃機関への単位時間当たりの吸入空気量状態を反映する空気吸入速度相当物理量を検出する空気吸入速度相当物理量検出手段と、前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質の酸化速度を決定する因子の1つとして、前記空気吸入速度相当物理量検出手段にて検出された空気吸入速度相当物理量を用いて前記酸化速度を算出する酸化速度算出手段とを備えたことを特徴とする。

空気吸入速度相当物理量は排気浄化用フィルタに対して供給される時間当たりの酸素量に関連しており、排気浄化用フィルタに堆積している粒子状物質の酸化速度に影響する。このため酸化速度算出手段にて、空気吸入速度相当物理量を、粒子状物質の酸化速度を決定する因子の1つとして用いて酸化速度を算出することにより、高精度に酸化速度を算出できる。

したがって、このようにして求められた酸化速度を用いて、粒子状物質堆積量の推定計算を実行することで、内燃機関運転領域に関わらず高精度な粒子状物質堆積量を求めることができる。

請求項２に記載の粒子状物質酸化速度算出装置では、請求項１において、前記排気浄化用フィルタの触媒床温状態を反映する触媒床温相当物理量を検出する触媒床温相当物理量検出手段を備え、前記酸化速度算出手段は、前記空気吸入速度相当物理量検出手段にて検出された空気吸入速度相当物理量と前記触媒床温相当物理量検出手段にて検出された触媒床温相当物理量とに応じて前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質の酸化速度を算出することを特徴とする。

より具体的には他の因子として触媒反応の活性に影響する触媒床温相当物理量を触媒床温相当物理量検出手段により検出している。そして、この触媒床温相当物理量と、触媒反応に関与する吸入空気の流入速度を反映している空気吸入速度相当物理量とを用いることにより、これらに大きく影響される酸化速度を高精度に算出できる。

請求項３に記載の粒子状物質酸化速度算出装置では、請求項２において、前記触媒床温相当物理量検出手段は、前記排気浄化用フィルタ中に設けられた温度センサ、又は排気系において前記排気浄化用フィルタの下流に設けられた温度センサであり、前記触媒床温相当物理量は前記温度センサにて検出された温度であることを特徴とする。

このように触媒床温相当物理量としては排気浄化用フィルタ中の温度、又は下流における温度を用いることができる。このことにより触媒反応の活性に影響する触媒床温相当物理量を高精度に検出して、酸化速度を高精度に算出できる。

請求項４に記載の粒子状物質酸化速度算出装置では、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記排気浄化用フィルタでの粒子状物質の堆積状態に応じて酸化速度補正係数を算出する補正係数算出手段と、該補正係数算出手段にて算出された酸化速度補正係数により、前記酸化速度算出手段にて算出された酸化速度を補正する酸化速度補正手段とを備えたことを特徴とする。

触媒反応に関与する物質としては排気浄化用フィルタでの粒子状物質堆積量が存在し、空気吸入速度相当物理量ほどではないが、酸化速度に影響する。したがって、粒子状物質の堆積状態に応じて酸化速度補正係数を算出し、この酸化速度補正係数により酸化速度算出手段にて算出された酸化速度を補正することにより、より高精度な酸化速度を得ることができる。

請求項５に記載の粒子状物質酸化速度算出装置では、請求項４において、前記堆積状態は、内燃機関の運転状態に基づいて算出される前記排気浄化用フィルタに流入する粒子状物質量と前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質の酸化量との収支に基づいて算出される粒子状物質堆積量として表されていることを特徴とする。

粒子状物質の堆積状態は、排気浄化用フィルタに流入する粒子状物質量と酸化量との収支から算出される粒子状物質堆積量として求めることができる。特に再生時においては酸化量が大きくなり、粒子状物質堆積量が次第に少なくなる。この時の酸化量を求めるための酸化速度が粒子状物質堆積量の変化に応じた高精度なものとなる。このため内燃機関運転領域に関わらず高精度な粒子状物質堆積量を求めることができ、排気浄化用フィルタの再生処理停止のタイミングが高精度に判断できるので、燃料浪費や内燃機関出力低下を招くことがない。

請求項６に記載の粒子状物質酸化速度算出装置では、請求項４において、前記堆積状態は、前記排気浄化用フィルタの上流側と下流側との排気圧力差として表されていることを特徴とする。

排気浄化用フィルタに粒子状物質が堆積すればするほど、排気浄化用フィルタでの圧力損失が大きくなり、排気浄化用フィルタの上流側と下流側との排気圧力差が大きくなる。このため粒子状物質の堆積状態として排気浄化用フィルタの上流側と下流側との排気圧力差を用いることができる。このことによっても酸化速度補正係数を高精度に算出でき、酸化量を求めるための酸化速度を高精度に算出できる。このため内燃機関運転領域に関わらず高精度な粒子状物質堆積量を求めることができ、排気浄化用フィルタの再生処理停止のタイミングが高精度に判断できるので、燃料浪費や内燃機関出力低下を招くことがない。

請求項７に記載の粒子状物質酸化速度算出装置では、請求項１〜６のいずれかにおいて、前記空気吸入速度相当物理量は、内燃機関の吸気通路で吸入空気量センサにて検出された内燃機関の単位時間当たりの吸入空気量であることを特徴とする。

このように空気吸入速度相当物理量は吸気通路で吸入空気量センサにて内燃機関の単位時間当たりの吸入空気量として高精度に検出することができる。このことにより高精度に酸化速度を算出できる。

請求項８に記載の粒子状物質堆積量算出装置は、内燃機関の排気系に設けられて排気中の粒子状物質を濾過すると共に堆積した粒子状物質を触媒機能により酸化することで再生可能な排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量算出装置であって、内燃機関の運転状態に基づいて単位時間当たりに前記排気浄化用フィルタに流入する粒子状物質量を算出する流入粒子状物質量算出手段と、請求項１〜７のいずれかに記載の粒子状物質酸化速度算出装置と、前記流入粒子状物質量算出手段にて算出された前記粒子状物質量と、前記粒子状物質酸化速度算出装置にて算出された酸化速度とに基づく粒子状物質量の収支に基づいて、前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量を算出する粒子状物質堆積量算出手段とを備えたことを特徴とする。

このように粒子状物質堆積量算出手段が、前述した粒子状物質酸化速度算出装置により高精度に求められた酸化速度を用いて、排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量を算出しているので、内燃機関運転領域に関わらず高精度な粒子状物質堆積量を求めることができる。したがって排気浄化用フィルタの再生処理停止のタイミングが高精度に判断できるので、燃料浪費や内燃機関出力低下を招くことがない。

請求項９に記載の内燃機関排気浄化装置では、排気中の粒子状物質を濾過すると共に堆積した粒子状物質を触媒機能により酸化することで再生可能な排気浄化用フィルタを用いた内燃機関排気浄化装置であって、請求項８に記載の粒子状物質堆積量算出装置にて算出された前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量の値に基づいて、前記排気浄化用フィルタの再生制御の実行と停止とを制御する再生制御手段を備えたことを特徴とする。

このように高精度に算出された酸化速度に基づいて高精度に算出された粒子状物質堆積量を用いて排気浄化用フィルタの再生制御実行と停止とを制御している。したがって、これら実行と停止とのタイミングが内燃機関運転領域に関わらず極めて適切なものとなり、燃料浪費や内燃機関出力低下を招くことがない。

［実施の形態１］
図１は上述した発明が適用された車両用ディーゼルエンジンと、粒子状物質酸化速度算出装置、粒子状物質堆積量算出装置及び内燃機関排気浄化装置の機能を果たす制御システムとの概略を表す構成説明図である。尚、本発明は希薄燃焼式ガソリンエンジンなどについて同様な触媒構成を採用した場合においても適用できる。

ディーゼルエンジン２は複数気筒、ここでは４気筒＃１，＃２，＃３，＃４からなる。尚、他の気筒数でも良い。各気筒＃１〜＃４の燃焼室４は吸気弁６にて開閉される吸気ポート８及び吸気マニホールド１０を介してサージタンク１２に連結されている。そしてサージタンク１２は、吸気通路１３を介して、インタークーラ１４に連結され、更に過給機、ここでは排気ターボチャージャ１６のコンプレッサ１６ａの出口側に連結されている。コンプレッサ１６ａの入口側はエアクリーナ１８に連結されている。サージタンク１２には、排気再循環（以下、「ＥＧＲ」と称する）経路２０のＥＧＲガス供給口２０ａが開口している。そしてサージタンク１２とインタークーラ１４との間の吸気通路１３には、スロットル弁２２が配置され、コンプレッサ１６ａとエアクリーナ１８との間には吸入空気量センサ２４（空気吸入速度相当物理量検出手段に相当）及び吸気温センサ２６が配置されている。

各気筒＃１〜＃４の燃焼室４は排気弁２８にて開閉される排気ポート３０及び排気マニホールド３２を介して排気ターボチャージャ１６の排気タービン１６ｂの入口側に連結され、排気タービン１６ｂの出口側は排気通路３４に接続されている。尚、排気タービン１６ｂは排気マニホールド３２において第４気筒＃４側から排気を導入している。

この排気通路３４には、排気浄化触媒が収納されている３つの触媒コンバータ３６，３８，４０が配置されている。最上流の第１触媒コンバータ３６にはＮＯｘ吸蔵還元触媒３６ａが収納されている。ディーゼルエンジン２の通常の運転時において排気が酸化雰囲気（リーン）にある時には、ＮＯｘはこのＮＯｘ吸蔵還元触媒３６ａに吸蔵される。そして還元雰囲気（ストイキあるいはストイキよりも低い空燃比）ではＮＯｘ吸蔵還元触媒３６ａに吸蔵されたＮＯｘがＮＯとして離脱しＨＣやＣＯにより還元される。このことによりＮＯｘの浄化を行っている。

そして２番目に配置された第２触媒コンバータ３８にはモノリス構造に形成された壁部を有するフィルタ３８ａ（排気浄化用フィルタに相当）が収納され、この壁部の微小孔を排気が通過するように構成されている。この基体としてのフィルタ３８ａの微小孔表面にコーティングにてＮＯｘ吸蔵還元触媒の層が形成されているので、排気浄化触媒として機能し前述したごとくにＮＯｘの浄化が行われる。更にフィルタ壁部には排気中の粒子状物質（以下「ＰＭ」と称する）が捕捉されて堆積する。この堆積したＰＭは、高温の酸化雰囲気とすることで、ＮＯｘ吸蔵時に発生する活性酸素によりＰＭの酸化が開始されると共に、更に周囲の過剰酸素によりＰＭ全体が酸化される。このことによりＮＯｘの浄化と共にＰＭの酸化による浄化を実行している。尚、ここでは第１触媒コンバータ３６と第２触媒コンバータ３８とは一体化された構成で形成されている。

最下流の第３触媒コンバータ４０は、酸化触媒４０ａが収納され、ここではＨＣやＣＯが酸化されて浄化される。
尚、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３６ａとフィルタ３８ａとの間には第１排気温センサ４４が配置されている。又、フィルタ３８ａと酸化触媒４０ａとの間において、フィルタ３８ａの近くには第２排気温センサ４６（触媒床温相当物理量検出手段に相当）が、酸化触媒４０ａの近くには空燃比センサ４８が配置されている。

上記空燃比センサ４８は、ここでは固体電解質を利用したものであり、排気成分に基づいて排気の空燃比を検出し、空燃比に比例した電圧信号をリニアに出力するセンサである。又、第１排気温センサ４４と第２排気温センサ４６とはそれぞれの位置で排気温度ｔｈｃｉ，ｔｈｃｏを検出するものである。

フィルタ３８ａの上流側と下流側には差圧センサ５０の配管がそれぞれ設けられ、差圧センサ５０はフィルタ３８ａの目詰まりの程度、すなわちＰＭの堆積度合を検出するためにフィルタ３８ａの上下流での差圧ΔＰを検出している。

尚、排気マニホールド３２には、ＥＧＲ経路２０のＥＧＲガス吸入口２０ｂが開口している。このＥＧＲガス吸入口２０ｂは第１気筒＃１側で開口しており、排気タービン１６ｂが排気を導入している第４気筒＃４側とは反対側である。

ＥＧＲ経路２０の途中にはＥＧＲガス吸入口２０ｂ側から、ＥＧＲガスを改質するための鉄系ＥＧＲ触媒５２が配置され、更にＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ５４が設けられている。尚、ＥＧＲ触媒５２はＥＧＲクーラ５４の詰まりを防止する機能も有している。そしてＥＧＲガス供給口２０ａ側にはＥＧＲ弁５６が配置されている。このＥＧＲ弁５６の開度調節によりＥＧＲガス供給口２０ａから吸気系へのＥＧＲガス供給量の調節が可能となる。

各気筒＃１〜＃４に配置されて、各燃焼室４内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁５８は、燃料供給管５８ａを介してコモンレール６０に連結されている。このコモンレール６０内へは電気制御式の吐出量可変燃料ポンプ６２から燃料が供給され、燃料ポンプ６２からコモンレール６０内に供給された高圧燃料は各燃料供給管５８ａを介して各燃料噴射弁５８に分配供給される。尚、コモンレール６０には燃料圧力を検出するための燃料圧センサ６４が取り付けられている。

更に、燃料ポンプ６２からは別途、低圧燃料が燃料供給管６６を介して添加弁６８に供給されている。この添加弁６８は第４気筒＃４の排気ポート３０に設けられて、排気タービン１６ｂ側に向けて燃料を噴射することにより排気中に燃料添加するものである。この燃料添加により後述する触媒制御モードが実行される。

電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」と称する）７０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたデジタルコンピュータと、各種装置を駆動するための駆動回路とを主体として構成されている。そしてＥＣＵ７０は前述した吸入空気量センサ２４、吸気温センサ２６、第１排気温センサ４４、第２排気温センサ４６、空燃比センサ４８、差圧センサ５０、ＥＧＲ弁５６内のＥＧＲ開度センサ、燃料圧センサ６４及びスロットル開度センサ２２ａの信号を読み込んでいる。更にアクセルペダル７２の踏み込み量（アクセル開度ＡＣＣＰ）を検出するアクセル開度センサ７４、及びディーゼルエンジン２の冷却水温ＴＨＷを検出する冷却水温センサ７６から信号を読み込んでいる。更に、クランク軸７８の回転数ＮＥ（ｒｐｍ）を検出するエンジン回転数センサ８０、クランク軸７８の回転位相あるいは吸気カムの回転位相を検出して気筒判別を行う気筒判別センサ８２から信号を読み込んでいる。

そしてこれらの信号から得られるエンジン運転状態に基づいて、ＥＣＵ７０は燃料噴射弁５８による燃料噴射量制御や燃料噴射時期制御を実行する。更にＥＧＲ弁５６の開度制御、モータ２２ｂによるスロットル開度制御、燃料ポンプ６２の吐出量制御、及び添加弁６８の開弁制御により後述するＰＭ再生制御、Ｓ被毒回復制御あるいはＮＯｘ還元制御といった触媒制御やその他の各処理を実行する。

ＥＣＵ７０が実行する燃焼モード制御としては、通常燃焼モードと低温燃焼モードとの２種類から選択した燃焼モードを、運転状態に応じて実行する。ここで低温燃焼モードとは、低温燃焼モード用ＥＧＲ弁開度マップを用いて大量の排気再循環量により燃焼温度の上昇を緩慢にしてＮＯｘとスモークとを同時低減させる燃焼モードである。この低温燃焼モードは、低負荷低中回転領域にて実行し、空燃比センサ４８が検出する空燃比ＡＦに基づいてスロットル開度ＴＡの調節による空燃比フィードバック制御がなされている。これ以外の燃焼モードが、通常燃焼モード用ＥＧＲ弁開度マップを用いて通常のＥＧＲ制御（ＥＧＲしない場合も含める）を実行する通常燃焼モードである。

そして排気浄化触媒に対する触媒制御を実行する触媒制御モードとしては、ＰＭ再生制御モード、Ｓ被毒回復制御モード、ＮＯｘ還元制御モード及び通常制御モードの４種類のモードが存在する。

ＰＭ再生制御モードとは、ＰＭの推定堆積量がＰＭ再生基準値に到達すると、特に第２触媒コンバータ３８内のフィルタ３８ａに堆積しているＰＭを高温化により前述したごとく燃焼させてＣＯ2とＨ2Ｏにして排出するＰＭ浄化用昇温処理を実行するモードである。このモードでは、ストイキ(理論空燃比)よりも高い空燃比状態で添加弁６８からの燃料添加を繰り返して触媒床温を高温化（例えば６００〜７００℃）するが、更に燃料噴射弁５８による膨張行程あるいは排気行程における燃焼室４内への燃料噴射であるアフター噴射を加える場合がある。

尚、ＰＭ再生制御モード内において間欠添加処理によるバーンアップ型昇温処理を実行しても良い。この間欠添加処理は、添加弁６８からの間欠的な燃料添加により空燃比をストイキ又はストイキよりもわずかに低い空燃比とする空燃比低下処理を、全く燃料添加しない期間を間に置いて行う。ここではストイキよりもわずかに低い空燃比とするリッチ化を行っている。この処理においても燃料噴射弁５８によるアフター噴射を加える場合がある。このことにより、ＰＭの焼き尽くし（バーンアップ）作用を生じさせて、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３６ａの前端面のＰＭ詰まりを解消したり、フィルタ３８ａ内に堆積したＰＭを焼き尽くす処理を行う。

Ｓ被毒回復制御モードとは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３６ａ及びフィルタ３８ａがＳ被毒してＮＯｘ吸蔵能力が低下した場合にＳ成分を放出させてＳ被毒から回復させるモードである。このモードでは、添加弁６８から燃料添加を繰り返して触媒床温を高温化（例えば６５０℃）する昇温処理を実行し、更に添加弁６８からの間欠的な燃料添加により空燃比をストイキ又はストイキよりもわずかに低い空燃比とする空燃比低下処理を行う。ここではストイキよりもわずかに低い空燃比とするリッチ化を行っている。このモードも燃料噴射弁５８によるアフター噴射を加える場合がある。

ＮＯｘ還元制御モードとは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒３６ａ及びフィルタ３８ａに吸蔵されたＮＯｘを、Ｎ2、ＣＯ2及びＨ2Ｏに還元して放出するモードである。このモードでは、添加弁６８からの比較的時間をおいた間欠的な燃料添加により、触媒床温は比較的低温（例えば２５０〜５００℃）で空燃比をストイキ又はストイキよりも低下させる処理を行う。

尚、これら３つの触媒制御モード以外の状態が通常制御モードとなり、この通常制御モードでは添加弁６８からの燃料添加や燃料噴射弁５８によるアフター噴射はなされない。
次に図２に、ＥＣＵ７０により実行されるＰＭ再生制御モード実行・停止判定処理のフローチャートを示す。本処理は一定の時間周期で割り込み実行される処理である。このＰＭ再生制御モード実行・停止判定処理（図２）の結果により、上述したＰＭ再生制御処理の実行開始や停止が決定される。なお個々の処理内容に対応するフローチャート中のステップを「Ｓ〜」で表す。

ＰＭ再生制御モード実行・停止判定処理（図２）が開始されると、まずディーゼルエンジン２からのＰＭ排出速度Ｖｅ（ｇ／ｈ）が算出される（Ｓ１０２）。このＰＭ排出速度Ｖｅは、単位時間（ここでは時ｈ）の間にディーゼルエンジン２の全燃焼室４から排出されてフィルタ３８ａでの補足対象となるＰＭの量（ｇ）であり、マップＭＡＰｅに基づいて現在のエンジン回転数ＮＥと負荷（ここでは燃料噴射弁５８からの燃料噴射量）とから求められる。このマップＭＡＰｅは、ディーゼルエンジン２の種類に応じて予め実験によりエンジン回転数ＮＥと負荷とをパラメータとして、単位時間おけるＰＭ排出量を求めてマップ化したものである。

次にＰＭ酸化速度Ｖｃ（ｇ／ｈ）が算出される（Ｓ１０４）。このＰＭ酸化速度Ｖｃは、単位時間（ここでは時ｈ）の間にフィルタ３８ａに捕捉されたＰＭが酸化により浄化される量（ｇ）である。ＰＭ酸化速度Ｖｃは、図３に一例を示すマップＭＡＰｃに基づいて、現在の触媒床温（触媒床温相当物理量である排気温度ｔｈｃｏ：℃）と吸入空気量ＧＡ（ｇ／ｓ：空気吸入速度相当物理量）とから求められる。このマップＭＡＰｃは、予め実験によりフィルタ３８ａの触媒床温（ここでは第２排気温センサ４６にて検出される排気温度ｔｈｃｏ）と吸入空気量ＧＡとをパラメータとして単位時間当たりのＰＭ酸化量を求めてマップ化したものである。

次に酸化速度補正係数Ｋｃが算出される（Ｓ１０６）。この酸化速度補正係数Ｋｃは、ＰＭ堆積量の多少によってＰＭ酸化速度が変化することから設けられている係数であり、図４に示すマップＭＡＰｋに基づいて、ＰＭ堆積量ＰＭｓｍ（前回求められている値）から求められる。このマップＭＡＰｋは、予め実験によりＰＭ堆積量ＰＭｓｍをパラメータとして、実測されたＰＭ酸化速度と、標準状態で作成されているマップＭＡＰｃ（図３）から得られるＰＭ酸化速度Ｖｃとの比を求めてマップ化したものである。

次にＰＭ堆積量ＰＭｓｍ（ｇ：粒子状物質の堆積状態に相当）が式１のごとく算出される（Ｓ１０８）。
［式１］
ＰＭｓｍ ← ＰＭｓｍ ＋ （Ｖｅ−Ｋｃ・Ｖｃ）・Ｔ
ここで右辺のＰＭ堆積量ＰＭｓｍは、前回の本処理の実行時に算出されたＰＭ堆積量ＰＭｓｍである。「Ｔ」は本判定処理の制御周期を時ｈ単位に換算した値である。このため「Ｖｅ・Ｔ」は１制御周期の期間にてディーゼルエンジン２の全燃焼室４から排出されて排気浄化用フィルタに流入するＰＭ量に相当する。更に「Ｋｃ・Ｖｃ」はＰＭの酸化速度に対応し、「Ｋｃ・Ｖｃ・Ｔ」は１制御周期の期間にて排気浄化用フィルタにおけるＰＭの酸化量に相当する。したがって、これらの差、すなわち収支である「（Ｖｅ−Ｋｃ・Ｖｃ）・Ｔ」の値（ｇ／制御周期）は、今回の制御周期終了後のＰＭ堆積量ＰＭｓｍの増加量（マイナスは減少量）を表す。

このため前回のＰＭ堆積量ＰＭｓｍに、「（Ｖｅ−Ｋｃ・Ｖｃ）・Ｔ」の値を加えることにより、今回の制御周期完了後のＰＭ堆積量ＰＭｓｍを得ることができる。尚、計算上、前記式１の右辺の値がマイナスとなる場合には、左辺のＰＭ堆積量ＰＭｓｍには「０（ｇ）」が設定され、常にＰＭ堆積量ＰＭｓｍには「０」以上の値が設定される。

次にＰＭ再生制御処理中か否かが判定される（Ｓ１１０）。ＰＭ再生制御処理中でなければ（Ｓ１１０で「ｎｏ」）、次にＰＭ再生制御処理開始条件が成立しているか否かが判定される（Ｓ１１２）。ここでＰＭ再生制御処理開始条件としては、ＰＭの推定堆積量を表すＰＭ堆積量ＰＭｓｍがＰＭ再生基準値ＰＭｂ以上であるとの条件が含まれている。これ以外の論理積条件としてはフィルタ３８ａにおける触媒床温レベルや流入する排気温度レベルなどの条件が存在し、このことにより適切にＰＭ燃焼が可能であるかを判定して開始条件としている。

ここで例えばＰＭｓｍ＜ＰＭｂであれば（Ｓ１１２で「ｎｏ」）、このまま一旦本処理を終了する。
一方、ディーゼルエンジン２の運転状態により「Ｖｅ＞Ｋｃ・Ｖｃ」の状態が継続すると、前記ステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理が繰り返されることにより、ＰＭ堆積量ＰＭｓｍは次第に増加する。しかし、ＰＭｓｍ＜ＰＭｂである間は（Ｓ１１２で「ｎｏ」）、このまま一旦本処理を終了する。

そして、ＰＭｓｍ≧ＰＭｂとなり、ＰＭ再生制御処理開始のための他の論理積条件も満足されていれば（Ｓ１１２で「ｙｅｓ」）、ＰＭ再生制御処理開始が設定される（Ｓ１１４）。このことによりＰＭ再生制御モードとなり前述した処理が周期的に実行され、フィルタ３８ａの高温化により堆積しているＰＭが燃焼されてＣＯ2及びＨ2Ｏとして排出される。すなわち触媒床温の高温化によりＰＭ酸化速度Ｖｃが上昇して、「Ｖｅ＜Ｋｃ・Ｖｃ」の状態となる。

そして次の制御周期からは、ステップＳ１１０では「ｙｅｓ」と判定されて、ＰＭ再生制御処理停止条件が成立しているか否かが判定される（Ｓ１１６）。ここでＰＭ再生制御処理停止条件としては、ＰＭ堆積量ＰＭｓｍがＰＭ再生停止基準値ＰＭｅ以下であるとの条件である。ここでＰＭｓｍ＞ＰＭｅであれば（Ｓ１１６で「ｎｏ」）、このまま一旦本処理を終了する。したがってＰＭ再生制御処理は継続し、「Ｖｅ＜Ｋｃ・Ｖｃ」であるので、前記ステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理が繰り返されることにより、ＰＭ堆積量ＰＭｓｍは減少して行く。

そしてＰＭｓｍ≦ＰＭｅとなれば（Ｓ１１６で「ｙｅｓ」）、ＰＭ再生制御処理停止が設定される（Ｓ１１８）。このことにより通常制御モードに戻り、触媒床温の高温化処理は終了し、ＰＭ酸化速度Ｖｃが低下し、あるいは「０」となり、「Ｖｅ＞Ｋｃ・Ｖｃ」の状態となる。

図５はＰＭ堆積量ＰＭｓｍの推移の一例を表すタイミングチャートである。本実施の形態では実線にて示すごとく、通常制御モード時には、「ＰＭ酸化速度Ｖｃ＝０（ｇ／ｈ）」が通常であり、ＰＭ排出速度Ｖｅは「酸化速度補正係数Ｋｃ・ＰＭ酸化速度Ｖｃ」より十分に大きいので、フィルタ３８ａでのＰＭ堆積量ＰＭｓｍは次第に増加する（時刻ｔ０〜ｔ１）。そして時刻ｔ１にてＰＭ堆積量ＰＭｓｍがＰＭ再生基準値ＰＭｂ以上となったことによりＰＭ再生制御モードが開始されたものとする。ＰＭ再生制御モードの当初はＰＭ堆積量ＰＭｓｍが多いことから酸化速度補正係数Ｋｃが大きく、酸化速度「Ｋｃ・Ｖｃ」も高い。したがって時刻ｔ１からＰＭ堆積量ＰＭｓｍは急激に減少する。そして、酸化によるＰＭ堆積量ＰＭｓｍの減少に伴い、酸化速度補正係数Ｋｃが小さくなるので、減少速度は次第に鈍くなる。

そしてＰＭ堆積量ＰＭｓｍがＰＭ再生停止基準値ＰＭｅ以下となると（時刻ｔ２）、通常制御モードに戻る。
尚、比較例として、酸化速度補正係数Ｋｃを設けなかった場合には、破線で示すごとく時刻ｔ１から計算されるＰＭ堆積量ＰＭｓｍの減少速度は本実施の形態よりも鈍い。したがって計算上、ＰＭ堆積量ＰＭｓｍがＰＭ再生停止基準値ＰＭｅ以下となるまでの時間（ｔ１〜ｔ３）は長くなる。このため必要以上に長くＰＭ再生制御モードを継続することになる。

図５においては時刻ｔ４から吸入空気量ＧＡが上昇している例を示している。本実施の形態ではマップＭＡＰｃ（図３）にて求められるＰＭ酸化速度Ｖｃは触媒床温のみでなく吸入空気量ＧＡもパラメータとしている。このためＰＭ再生制御モード（ｔ５〜ｔ６）では更にＰＭ堆積量ＰＭｓｍの減少速度が高速となって短時間で終了している。

比較例としてＰＭ酸化速度Ｖｃを触媒床温のみで設定した場合には、破線で示すごとく時刻ｔ５から計算されるＰＭ堆積量ＰＭｓｍの減少速度は本実施の形態よりも鈍い。したがって計算上、ＰＭ堆積量ＰＭｓｍがＰＭ再生停止基準値ＰＭｅ以下となるまでの時間（ｔ５〜ｔ７）は長くなる。このため必要以上にＰＭ再生制御モードを継続することになる。

尚、図５では吸入空気量ＧＡが増加する場合を示したが、吸入空気量ＧＡが減少する場合には、比較例としては必要以上に早期にＰＭ再生制御モードを停止してしまうことから、実際のＰＭ堆積量が高レベルで推移して、ディーゼルエンジン２の背圧が高めとなり出力低下を生じるおそれがある。

上述した構成において、請求項との関係は、ＥＣＵ７０が粒子状物質酸化速度算出装置、粒子状物質堆積量算出装置及び内燃機関排気浄化装置に相当し、ＥＣＵ７０実行するＰＭ再生制御モード実行・停止判定処理（図２）が各装置の処理に相当する。ＰＭ再生制御モード実行・停止判定処理（図２）のステップＳ１０４が酸化速度算出手段として処理に、ステップＳ１０６が補正係数算出手段としての処理に相当する。更に、ステップＳ１０８は、酸化速度補正手段、流入粒子状物質量算出手段、及び粒子状物質堆積量算出手段としての処理に相当する。更に、ステップＳ１１０〜Ｓ１１８が再生制御手段としての処理に相当する。

以上説明した本実施の形態１によれば、以下の効果が得られる。
（イ）．ＰＭ酸化速度Ｖｃを算出するために、触媒反応の活性に影響する触媒床温と共に吸入空気量ＧＡをパラメータとして作成したマップＭＡＰｃを用いている（Ｓ１０４）。吸入空気量ＧＡは、排気浄化用のフィルタ３８ａに対して供給される時間当たりの酸素量に密接に関連しており、フィルタ３８ａに堆積しているＰＭの酸化速度に影響する。このためＰＭの酸化速度を決定する因子の1つとして吸入空気量ＧＡを用いることで、高精度にＰＭ酸化速度Ｖｃを算出することができる。

したがって、このようにして求められたＰＭ酸化速度Ｖｃを用いて、ＰＭ堆積量ＰＭｓｍの推定計算（Ｓ１０８）を実行することで、ディーゼルエンジン２の運転領域に関わらず高精度なＰＭ堆積量ＰＭｓｍを求めることができる。

（ロ）．フィルタ３８ａにおける触媒反応に関与する物質は酸素（吸入空気）とＰＭであるが、ＰＭの量は吸入空気ほどではないがＰＭ自身の酸化速度に影響する。
本実施の形態では、ＰＭ堆積量ＰＭｓｍを用いて酸化速度補正係数Ｋｃを算出し、この酸化速度補正係数ＫｃによりＰＭ酸化速度Ｖｃを補正（Ｓ１０８）することにより、ＰＭの量をＰＭ堆積量ＰＭｓｍの計算に反映させている。このことにより、より高精度な酸化速度を得ることができる。

（ハ）．（イ）及び（ロ）に述べたごとく、酸化速度が高精度に得られるので、この酸化速度を用いて算出したフィルタ３８ａにおけるＰＭ堆積量ＰＭｓｍは、エンジン運転領域に関わらず高精度な値を得ることが可能となる。このためフィルタ３８ａのＰＭ再生制御処理開始や停止のタイミングが高精度に判断でき、燃料浪費や機関出力低下を招くことがない。

［その他の実施の形態］
（ａ）．前記実施の形態において、触媒床温相当物理量としては、第２排気温センサ４６により検出されるフィルタ３８ａ下流直下の排気温度ｔｈｃｏを検出して用いていたが、フィルタ３８ａ中に温度センサを設けている場合には、この温度センサの検出温度を用いても良い。

（ｂ）．前記実施の形態では、排気浄化用のフィルタ３８ａとしては、「ＤＰＮＲ」と称されるＮＯｘ浄化用触媒と捕集したパティキュレートを酸化する触媒とを担持したディーゼルパティキュレートフィルタが用いられていたが、ＮＯｘ浄化用触媒が存在しないフィルタでも良い。すなわち「ＤＰＦ」と称される捕集したパティキュレートを酸化する触媒を担持したディーゼルパティキュレートフィルタを用いても良い。

（ｃ）．ステップＳ１０６で用いられるＰＭの堆積状態は、前回の制御周期時に得られたＰＭ堆積量ＰＭｓｍを用いていたが、これ以外に、現在のフィルタ３８ａ内のＰＭの堆積状態を反映している差圧センサ５０により検出される差圧ΔＰ（排気圧力差）を用いても良い。この場合には、マップＭＡＰｋ（図４）は予め実験により差圧ΔＰをパラメータとして、実測されたＰＭ酸化速度と、標準状態で作成されているマップＭＡＰｃ（図３）から得られるＰＭ酸化速度Ｖｃとの比を求めてマップ化したものを用いる。あるいは差圧ΔＰをＰＭ堆積量に換算するマップを別途作成し、このマップにより、実測された差圧ΔＰからＰＭ堆積量を求め、このＰＭ堆積量を用いて前記マップＭＡＰｋ（図４）により酸化速度補正係数Ｋｃを算出しても良い。

（ｄ）．前記実施の形態の式１ではＰＭ酸化速度Ｖｃと酸化速度補正係数Ｋｃとの積により最終的な酸化速度を算出したが、酸化速度補正係数Ｋｃを用いずに次式２のごとくＰＭｓｍを算出しても良い。

［式２］
ＰＭｓｍ ← ＰＭｓｍ ＋ （Ｖｅ−Ｖｃ）・Ｔ
このことによっても、従来よりも、前記実施の形態１の（イ）、（ハ）に述べたごとくの効果を生じる。

実施の形態１の車両用ディーゼルエンジンと制御システムとの概略構成説明図。 ＥＣＵが実行するＰＭ再生制御モード実行・停止判定処理のフローチャート。 上記フローチャートにおいて触媒床温と吸入空気量ＧＡとからＰＭ酸化速度Ｖｃを求めるマップＭＡＰｃの構成説明図。 上記フローチャートにおいてＰＭ堆積量ＰＭｓｍから酸化速度補正係数Ｋｃを求めるマップＭＡＰｋの構成説明図。 制御の一例を示すタイミングチャート。

符号の説明

２…ディーゼルエンジン、４…燃焼室、６…吸気弁、８…吸気ポート、１０…吸気マニホールド、１２…サージタンク、１３…吸気通路、１４…インタークーラ、１６…排気ターボチャージャ、１６ａ…コンプレッサ、１６ｂ…排気タービン、１８…エアクリーナ、２０…ＥＧＲ経路、２０ａ…ＥＧＲガス供給口、２０ｂ…ＥＧＲガス吸入口、２２…スロットル弁、２２ａ…スロットル開度センサ、２２ｂ…モータ、２４…吸入空気量センサ、２６…吸気温センサ、２８…排気弁、３０…排気ポート、３２…排気マニホールド、３４…排気通路、３６…第１触媒コンバータ、３６ａ…ＮＯｘ吸蔵還元触媒、３８…第２触媒コンバータ、３８ａ…排気浄化用のフィルタ、４０…第３触媒コンバータ、４０ａ…酸化触媒、４４…第１排気温センサ、４６…第２排気温センサ、４８…空燃比センサ、５０…差圧センサ、５２…ＥＧＲ触媒、５４…ＥＧＲクーラ、５６…ＥＧＲ弁、５８…燃料噴射弁、５８ａ…燃料供給管、６０…コモンレール、６２…燃料ポンプ、６４…燃料圧センサ、６６…燃料供給管、６８…添加弁、７０…ＥＣＵ、７２…アクセルペダル、７４…アクセル開度センサ、７６…冷却水温センサ、７８…クランク軸、８０…エンジン回転数センサ、８２…気筒判別センサ。

Claims (9)

1. 内燃機関の排気系に設けられて排気中の粒子状物質を濾過すると共に堆積した粒子状物質を触媒機能により酸化することで再生可能な排気浄化用フィルタにおける粒子状物質の酸化速度算出装置であって、
   内燃機関への単位時間当たりの吸入空気量状態を反映する空気吸入速度相当物理量を検出する空気吸入速度相当物理量検出手段と、
   前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質の酸化速度を決定する因子の1つとして、前記空気吸入速度相当物理量検出手段にて検出された空気吸入速度相当物理量を用いて前記酸化速度を算出する酸化速度算出手段と、
   を備えたことを特徴とする粒子状物質酸化速度算出装置。
2. 請求項１において、前記排気浄化用フィルタの触媒床温状態を反映する触媒床温相当物理量を検出する触媒床温相当物理量検出手段を備え、
   前記酸化速度算出手段は、前記空気吸入速度相当物理量検出手段にて検出された空気吸入速度相当物理量と前記触媒床温相当物理量検出手段にて検出された触媒床温相当物理量とに応じて前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質の酸化速度を算出することを特徴とする粒子状物質酸化速度算出装置。
3. 請求項２において、前記触媒床温相当物理量検出手段は、前記排気浄化用フィルタ中に設けられた温度センサ、又は排気系において前記排気浄化用フィルタの下流に設けられた温度センサであり、前記触媒床温相当物理量は前記温度センサにて検出された温度であることを特徴とする粒子状物質酸化速度算出装置。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記排気浄化用フィルタでの粒子状物質の堆積状態に応じて酸化速度補正係数を算出する補正係数算出手段と、
   該補正係数算出手段にて算出された酸化速度補正係数により、前記酸化速度算出手段にて算出された酸化速度を補正する酸化速度補正手段と、
   を備えたことを特徴とする粒子状物質酸化速度算出装置。
5. 請求項４において、前記堆積状態は、内燃機関の運転状態に基づいて算出される前記排気浄化用フィルタに流入する粒子状物質量と前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質の酸化量との収支に基づいて算出される粒子状物質堆積量として表されていることを特徴とする粒子状物質酸化速度算出装置。
6. 請求項４において、前記堆積状態は、前記排気浄化用フィルタの上流側と下流側との排気圧力差として表されていることを特徴とする粒子状物質酸化速度算出装置。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、前記空気吸入速度相当物理量は、内燃機関の吸気通路で吸入空気量センサにて検出された内燃機関の単位時間当たりの吸入空気量であることを特徴とする粒子状物質酸化速度算出装置。
8. 内燃機関の排気系に設けられて排気中の粒子状物質を濾過すると共に堆積した粒子状物質を触媒機能により酸化することで再生可能な排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量算出装置であって、
   内燃機関の運転状態に基づいて単位時間当たりに前記排気浄化用フィルタに流入する粒子状物質量を算出する流入粒子状物質量算出手段と、
   請求項１〜７のいずれかに記載の粒子状物質酸化速度算出装置と、
   前記流入粒子状物質量算出手段にて算出された前記粒子状物質量と、前記粒子状物質酸化速度算出装置にて算出された酸化速度とに基づく粒子状物質量の収支に基づいて、前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量を算出する粒子状物質堆積量算出手段と、
   を備えたことを特徴とする粒子状物質堆積量算出装置。
9. 排気中の粒子状物質を濾過すると共に堆積した粒子状物質を触媒機能により酸化することで再生可能な排気浄化用フィルタを用いた内燃機関排気浄化装置であって、
   請求項８に記載の粒子状物質堆積量算出装置にて算出された前記排気浄化用フィルタにおける粒子状物質堆積量の値に基づいて、前記排気浄化用フィルタの再生制御の実行と停止とを制御する再生制御手段を備えたことを特徴とする内燃機関排気浄化装置。

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